超超临界机组自力式液动高加给水三通阀关闭瞬态动力学分析

（） １ 需要 知 道液压 缸 内上下 腔 的压力 Ｐ Ｐ 。 和 ：
为 了便 于说 明 问 题 ， 水 的 流 动 通 道 分 为 ３ 将
ＦＬ Ｄ ＵＩ ＭＡＣＨＩ ＮＥＲＹ
Ｖｏ． ０， ． ２ ２ １ ４ Ｎｏ ３， ０１
２ ２ 液 压缸上 腔压 力 的计算 ．
步 长 四阶五 级 Ｒ ｎｅ—Ｋ ｔ 在 ＭＡ Ｌ Ｂ下 编 ｕｇ ｕｔ ａ法 ＴＡ 程 求解 训 。 计算过程中采用 的参数如表 ２所示 。表 中流 阻 系数取 自文献 ［］结构尺寸取 自阀门设 计参数 。 ４，
Ｙ ｉ —ｉｇ ， Ｕ Ｌ ｎ Ｙ ｈ ． ｎ Ｃ Ｅ Ｇ Ｊ ｎＸ ｅ ， Ｎ ｉ．ｎ Ｓ Ｎ Ｑａ ｇ Ｕ Ｊ ｎｐｎ ！Ｙ ｏ ｇ ， Ｕ Ｓ ｕｒ ｇ ， Ｈ Ｎ ｉ ．Ｕ ＭＥ Ｇ Ｘ ｎ１ ｇ ，Ｕ ｉｎ ａ ｏ ａ ｉ
（ ． ａｚｏ ｎｖｒｉ ｆ ｅｈｏｏｙ Ｌ ｎｈ ｕ７０ ５ Ｃ ｉａ １ Ｌ ｎｈ ｕＵ ｉｅｓｙｏ Ｔ ｃｎｌ ， ａｚｏ ３０ ０，ｈｎ ； ｔ ｇ
外 的动力源 ， 阀 门启 闭 时 间 可根 据 需 要进 行 调 且
通阀的主回路快速关闭 ， 旁通回路打开， 以保证高
收稿 日期 ： ２ １ ０ ０ １— ５—３ 修稿 日期 ： ２ １ Ｏ ０ ０ ２一 １—１ ｌ 基金项 目： 兰州理工大学博士基金（ Ｓ ５０ ９ ７ Ｂ ０２ ０ ０ ）
（． １ 兰州理工大学 ， 甘肃 兰州 ７０ ５ ；． ３ ０ ０ ２ 河南开封高压阀 门有限公司 ， 河南开封 ４ ５０ ） ７ ０２
摘
要 ： 建立 了超超 临界 机组 自力 式液 动高加给水 三通 阀关 闭瞬态动 力学方 程式 ， 并采用 ＭＡ Ｌ Ｂ编程 求解 了动 力 ＴＡ
学微分方程式 ， 计算得 到了三通 阀关 闭速度 、 关闭时 间等重要特征参数 。计算表明液动阀在毫秒级的时间 内完成从静 止 到加速过程 ， 此后 以恒 定速度完成阀的关闭。液压缸在 ３ Ｍ ａ高压 差的作用 下 ， ５Ｐ 最大阀芯最大关闭速度约为 ０ ９ ／ ； ．ｍ ｓ液 压缸进 出口管径 的大小对 阀关 闭时间有着重要 的影 响 ， 应在合理设计进出 口管径基础之上再选择适当的调节 阀， 以便精
ｐ ｒ ｎ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔ ａ ａ ｔｒ ，ｓ ｃ ｓｃ ｏ ｉ ｇｔ ｎ ｅｏ ｉ ｈ ｆ ａ ｎ ｄ ｂ ｏｖｎ ｈ ｉ ｅ ｅ ｔ ｑ ａｉ ｎ ｏ ｔ ｔｃ ａ ａ ｔｒ ｉ ｐ ｒ ｍｅｅ ｓ ａ ｓｃ ｕ ｈ ａ ｌ ｓ ｉ ａ ｄ ｖ ｌ ｃｔ ｏ ｓ ａｔｉ ｇ ｉ ｅ ｙｓ ｌ ｉ ｇｔ ｅ ｄ ｆ ｒ ｎ ｉ ｅ ｕ ｔ ．Ｃａｃ — ｎ ｍｅ ｙｆ ｓ ｌ ａ ｏ ｌ ｕ ｌｔ ｎ ｓ ｏ ｈ ｔｉ ｗ ｍｉ ｉｅ ｏ ｄ ｔ ｅｖ ｌｅ ｃ ｎ ｆ ｉｈ ｔ ｅ ａ ｃ ｌｒ ｔｄ ｍｏ ｅ ｎ ．Ｔ ｅ ｍａ ｉ ｍ ｌｓｎ ｐ ｅ ｓａ ｏ ｔ ． ｍ／ ａｉ ｈ ｗｓｔ ａ ａ ｆ ｌ ｓ ｃ ｎ ａｖ ａ ｎ ｓ ｃ ｅ ｅａ ｅ ｖ ｍｅ ｔ ｈ ｘｍｕ ｃｏ ｉ ｇ ｓ ｅ ｄ ｉ ｂ ｕ ９ ｏ ｎ ｅ ｌ ｈ ｉ ｈ ０ Ｓｕ ｄ ｒ３ ａ ｄ ｆ ｒｎ ｉｌ ｒ ｓｕ ｅ ａｃ ｌｔ ｎ ａｓ ｄ ｃ ｔ ｓｔ ａ ｉｍｅ ｅ ｉｅ ｔｋ ｓａ ｍｐ ｒａ ｔ ｏｅ ｏ ｅ ｓ ｕ ｆ ｔ ｆ ｎ ｅ ５ Ｍｐ ｉ ｅｅ ｔ ｅ ｓ ｒ ．Ｃ ｌ ｕ ａｉ ｏ ｉ ｉ ａｅ ｔ ａ ｔｒｏ ｐ ｐ ｅ ｎ ｉ ｏ ｔｎ ｌ ｎ ｔ ｈ ｔ ｆ ｉ ｏ ａｐ ｏ ｌ ｎ ｈ ｄ ｆ ａ ｒ ｈ ｏ ｍｅ
１ 前 言
压 加热器 解列 ， 但不 影 响锅炉 正常供 水 。 超 超临 界机组 常用 的高加 给水 三通 阀按启 闭
液动高 加 给水三 通 阀专为 高压 加热 器运行 和
解列切换而设计 ， 是保 障锅炉给水系统安全运行 的重要 的控 制 阀 门 。当锅 炉 系 统 正 常运 行 时 ， 锅 炉给 水从 三通 阀 的 主 回路 进 入 高 压 加热 器 ， 过 通
Ｋ ｙｗ ｒｓ Ｕ Ｃｕ ｉ ｕｔ ｕ ｅｅ ｔ ａ ｕ ｉ ； ｒｅｗ ａ ｅｈｇ—ｒ ｓｒ ｅｔｒｃｏｉ ｍｅｄｎ ｍｃａ ａ ｓ ｅ ｏ ｄ ： Ｓ ｎ （ ｌａｓｐｒ ｉｌ ｎｔ ｔ ｅ— ａ ｖ ｖ ；ｉｈｐｅ ｕｅｈ ａ ；ｌ ｎ ｔ ；ｙ ａ ｉ ｎ ｌ ｉ ｔ ｒ ｉ ｒ ｃ ） ｈ ｙ ｌ ｓ ｅ ｓｇｉ ｙｓ
ｍ ＝ 一 ＋ｍ ｆ ｇ
２ 液压 缸动 力分 析 式中 对 三 通 阀的液 压缸 的结 构进 行 简化 可得 如下 结 构示 意 图 （ 图 ２所示 ） 如 。
（ １ ｐ ） ｆ＋ｒ Ｐ － ２Ａ－ ａ ｇ Ａ —— 液 压缸 截面积 液 压缸移 动速 度

（） １
式 （ ） 界条 件为 ： １边 ｔ＝０时 Ｖ＝０； 求解式 要
ｖ ｖ ．Ｔ ｃ ｕ ａ ｙ ｃ ｎ ｒｌｔ ｅ ｓ ｕ ｆ ｍｅ ｏ ａ ｖ ｌ ａ ｅ ｏ ａ ｃ ｒ ｃ ｏ ｔｏ ｈ ｔｏ ｔ ｆｖ ｅ，ｉ ｉ ｉ ｏ ａ ｔｔ ｈ ｏ ｅ ｔ ｅ ｄａ ｔ ｒｏ ｉｅ ａ ｄ ｒ ｇ ｌ ｔ ｇ ｖ ｖ ． ｈ ｉ ｌ ｔ ｓ ｍｐ ｒ ｎ ｃ ｏ ｓ ｉｍｅ ｅ ｆｐ ｐ ｎ ｅ ｕ ａｉ ａ ｅ ｔ ｏ ｈ ｎ ｌ
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Ｐｒ ｃ ｓ ｆＵＳＣ ｏ ｅｓｏ Ｕｎｉ ｇ ｐ ｅ ｓ ｅ Ｈｅ ｔ ｒ ｔ Ｈｉ ｈ． ｒ ｓｕｒ ａ ｅ
阀芯 运动 时水对 阀芯 的阻力 等 。由于液 压缸 对 阀
杆的作用力远大于阀芯处水流作用力。因而忽略
锅炉 给水 在 阀芯上 产 生 的各 项作 用 力 ， 分 析 液 仅
压 缸作 用 于 阀杆 上 的力 。
（ ） 液 动 阀关 闭 时 间过 短 ， 意 味着 阀 芯 ２如 则 以很 高 的 速 度 关 闭 ， 样 会 在 关 闭 的 瞬 间 阀 芯 这 与 阀 体 产生 较 大 的 冲击 作 用 力 导 致 阀 芯 或 阀体
出 口阀至锅 炉 。 当高加 出现 故 障 时 ， 加 给水 三 高
方式有电动和 液动 自力式等 形式…。电动形式 采 用多 种结 构 的 电 机 执 行 机 构 实 现 三 通 阀 的开 闭。液动 自力式三通阀是根据高加给水管路里的 差 压来 进行 动作 的 。由于 自力式 三通 阀不需 要额
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文 章 编 号 ： １０ ０ ２ （０ ２ ０ ０４ ｏ ０ ５— ３９ ２ １ ）３— ０４一 ４
超超临界机组 自力式液动高加给水三通 阀 关 闭瞬 态动 力学 分 析
余建 平 余 ， 龙 俞树 荣 程俭 学 孟新 凌 孙 ， ， ， ， 强
液压 缸 下腔 压力 泄放 。２个 阀开 启后 在 液 压 缸 产 生压 力 差 ， 阀芯在 压差 的推 动 下 向下运 动 ， 闭 主 关
回路 ， 同时打 开旁 路 ， 完成 高加 解列 ； 当进 口、 口 出 旁路 阀关 到位 后 ， 液压 缸上 腔继 续保 持压 力 ， 以确 保 旁路 阀动作 安全 可靠 。
整 。 因而 具有操 作简便 、 可靠耐 用等优 点 ， 在高参
２１ 第４ ０ ２年 ０卷第 ３期
数 的机组 中得 到广 泛 的应用 心３。 ． ］
流
体
机
械
４ ５
部 分 ： 制针 形 阀所 在 的管 道称 为管 路 １快 开 阀 控 ； 所在 管道 称 为 管 路 ２ 由 于液 压 缸 下 腔 阀杆 与 阀 ； 体之 间有 一 圆环形 狭 缝 ， 经计 算 狭 缝 的面积 及 与 阀 １和 阀 ２的流 通截 面积数 量 级相 当 ， 能忽 略 。 不 故 将这 个水 流通 道 称 为 管 路 ３ 各 管 路 的 参 数 符 ，
密 封 面损 坏 。 因而对 阀芯关 闭时 间进行 理论 分析 将有 助 于
给水 三通 阀的安 全长 寿运 行 。
液 压缸 作用 于 阀杆上 的力有 ３个 ：
（） １液压缸活塞上下表面压力差 ４ Ｐ＝Ｐ Ｐ 一 ；
（） ２ 液压缸活塞与缸体的摩擦力 ； （） ３ 阀杆及 液 压缸 的重力 ｍ 。 ｇ 由此建立 动力 学方 程式 ：
作 用 表 现 在 ２个 方 面 ： （ ） 动 阀关 闭 时 间 过 长 则 会 影 响 高 加 解 １液 列 ， 利 于 系统 安 全 运 行 ， 锅 炉 给 水 系统 工 艺 不 故 设 计 要 求 液 动 阀关 闭时 间小 于 ５ ； ｓ
的作 用力 。二 是 阀 芯处 水 流 对 阀杆 的作 用 力 ， 如
确控制 阀关 闭时间。 关键词 ： 超超临界机组 ； 三通 阀 ； 高压加热器 ； 液动 ； 关闭时间 ； 动力学分析
中 图分 类 号 ： Ｔ ３ ；Ｋ ３ Ｈ１８ Ｔ ７ ０ 文献标识码 ： Ａ ｄ ｉ１ ．９９ ｊｉ ｎ １０ ０ ２ ．０ ２０ ． １ ｏ：０ ３ ６ ／． ｓ．０ ５— ３ ９ ２ １ ．３０ ０ ｓ
号 如表 １ 示 。 所
Ｐ， Ａ』
液动 自力 式 三 通 阀工 作 过 程 是 ： 当高 压 加 热
器系统 出现故障时 ， 锅炉控制系统输出信号 ， 打开
控 制针 阀及 快 开 阀（ 图 １所 示 ） 控 制针 阀开 启 如 ， 将 执行 机构 液压 缸 上 腔 充 液 加 压 ， 开 阀开 启 将 快
表 ２ 计算参数 项目 液压缸直径 Ｄ（ ｍ） 液压缸行程 日（ ｍ） 数值 ０ １ ．６ ０ １ ．６
由伯努利方程知对于压差为 △ ｐ的管路 ， 压差 与 流速 之间存 在如 下表 达式 引：
２ Ｈ ｎ ｎＫ ｉ ｎ ｉｈＰｅｓｒ Ｖ ｌｅＣ ． Ｌｄ ，ａｆ ｇ ７ ０ ２ Ｃ ｉａ ． ｅ ａ ａ ｅｇＨ ｇ ｒｓ ｅ ａ ｏ ，ｔ． Ｋ ｉｎ ５０ ， ｈ ） ｆ ｕ ｖ ｅ ４ ｎ
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Ｐ
Ａ
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图 ２ 三 通 阀 液 压 缸 示 意
表 １ 管路参数符号
管 路 人 口压 力 口压 力 面 积 流 阻 流 量 流速 出
管路 １ 管路 ２
图 １ 三 通 阀结 构 不 意
Ｐ ｆ Ｐ ２
Ｐ ｆ
Ｐ ｌ
ｌ Ａ ２
Ａ ３
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Ｑ Ｑ ２
Ｑ ３
１ ２
３
管路 ３
由液 动 自力 式 三 通 阀工 作 过 程 可知 ， 压缸 液
２ １ 阀杆动 力 学分析 ． 阀杆 受力 来 源 于两 部 分 ， 是 液 压缸 对 阀杆 一
内压 力 的 变 化 决 定 着 阀 芯 的 运 动 状 态 ， 阀 芯 对 的运 动过 程 的控 制 是 有 重 要 的 工 程 意 义 的 ， 其